Molecular simulations of lipid droplet biogenesis - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Molecular simulations of lipid droplet biogenesis

Simulations moléculaires de la biogénèse des gouttelettes lipidiques

Abstract

Lipid droplets (LDs) are ubiquitous cellular organelles regulating the lipid storage and metabolism. LDs are generated in the endoplasmic reticulum (ER), and the mechanism of their biogenesis is not understood because extremely challenging to characterize experimentally, due to the small size and dynamic nature of nascent LDs. Malfunctioning of LD biogenesis is linked to a wide range of diseases. Understanding the formation of LD is the main objective of this thesis. I focused on three aspects: (1) the partitioning of proteins in nascent LDs, (2) the analysis of LD shape as a proxy for their tendency to bud, and (3) the mechanism of budding. Proteins play an important role in the birth and function of organelles. The respective proteome of LDs and ER are different, despite their membranes being connected, and the factors determining protein distribution are unclear. We used molecular dynamics simulations to study the partitioning of ER proteins, focusing on model proteins to mimic transmembrane and monotopic membrane proteins. We found that the chemical properties of proteins affect their distribution around nascent LDs and explain the different proteosomes of both organelle. During their formation, LDs undergo a drastic change in shape, from the lens-like shape of nascent LD embedded in a bilayer membrane to nearly spherical LDs emerging from the ER. Theoretical work allowed a mathematical description of the shape as a function of LD volume, and predicted that the change in shape, corresponding to budding, occurs when the LD grows beyond a certain threshold, estimated at a few tens of nm. However, no change in shape and no budding was observed in simulations of nascent LDs embedded in flat, periodic lipid bilayer membranes. Comparing the shape of simulated LDs with the theoretically predicted shapes, we found very good agreement with the theory, indicating that simulations can be used to gain molecular level insight into the properties and dynamics of these systems. LD budding takes place on a time and length scale beyond the reach for current microscopy techniques. Also, it is commonly believed that budding is out of reach for simulations too, due to the same limitations (in the opposite sense). Budding is therefore the least understood part of lipid droplet biogenesis. It is also possibly the most important, as the direction of budding determines the protein coverage and therefore the function of LDs in cells. Here we developed a non-equilibrium simulation method, coined POP-MD, to effectively emulate lipid synthesis and explore the driving forces and the conditions for LD budding. We also modeled the key protein in LD biogenesis, seipin, whose multiple roles are not completely clear, and inserted it tubular bilayer membranes, featuring realistic morphology, size, and chemical composition of the tubular part of the ER. POP-MD allowed us to simulate, for the first time, the budding process, and determine which conditions are actually necessary to observe it. We found that LD size is not a critical parameter to reproduce budding; instead, leaflet asymmetry is necessary and sufficient to reproduce budding, independently of all other factors. Coupling of triglyceride and phospholipid synthesis is necessary to produce correctly budded structures. Seipin scaffolds the neck of the budded LD and prevents the generation of hydrophilic defects at the LD neck, but it is not sufficient to produce budding. The complex ER lipid composition facilitates the budding mechanism as it provides softer membranes, reducing membrane defects during biogenesis. Overall, simulations provided an unprecedented molecular view of LD biogenesis, with sub-nanometer length resolution and picosecond time resolution, enabled the interpretation of numerous experimental data, and elucidated the role of the different components required for the budding process.
Les gouttelettes lipidiques (GLs) sont des organites cellulaires omniprésents régulant le stockage et le métabolisme des lipides. Les GLs sont générées dans le réticulum endoplasmique (RE) et le mécanisme de leur biogenèse n'est pas compris car extrêmement difficile à caractériser expérimentalement, en raison de la petite taille et de la nature dynamique des GLs naissantes. Le dysfonctionnement de la biogenèse des GLs est lié à un large éventail de maladies. Comprendre la formation des GLs est l'objectif principal de cette thèse. Je me suis concentré sur trois aspects : (1) la partition des protéines dans les GLs naissantes, (2) l'analyse de la forme des GLs comme indicateur de leur tendance à bourgeonner, et (3) le mécanisme de bourgeonnement. Les protéines jouent un rôle important dans la naissance et la fonction des organites. Les protéomes respectifs des GLs et du RE sont différents, bien que leurs membranes soient connectées, et les facteurs déterminant la distribution des protéines ne sont pas clairs. Nous avons étudié la partition des protéines du RE, en nous concentrant sur des protéines modèles pour imiter les protéines membranaires transmembranaires et monotopiques. Nous avons constaté que les propriétés chimiques des protéines affectent leur distribution autour des GLs naissantes et expliquent les différents protéosomes des deux organites. Au cours de leur formation, les GLs subissent un changement radical de forme, de la forme de lentille d'une GL naissante intégrée dans une membrane à des GLs sphériques émergeant du RE. Des travaux théoriques ont permis une description mathématique de la forme en fonction du volume de la GL, et prédit que le changement de forme, correspondant au bourgeonnement, se produisant lorsque la GL croît au-delà d'un certain seuil, estimé à quelques dizaines de nm. Cependant, aucun bourgeonnement n'a été observé dans les simulations de GLs naissantes. En comparant la forme des GLs simulées avec les formes théoriquement prédites, nous avons trouvé un très bon accord avec la théorie, indiquant que les simulations peuvent être utilisées pour obtenir un aperçu au niveau moléculaire des propriétés et de la dynamique de ces systèmes. Le bourgeonnement des GLs se déroule sur une échelle de temps et de durée hors de portée des techniques de microscopie actuelles. Le bourgeonnement est donc la partie la moins comprise et la plus importante de la biogenèse des GLs, car la direction du bourgeonnement détermine la couverture protéique et donc la fonction des GLs dans les cellules. Ici, nous avons développé une méthode de simulation hors équilibre, appelée POP-MD, pour émuler efficacement la synthèse des lipides et explorer les forces motrices et les conditions du bourgeonnement des GLs. Nous avons également modélisé la protéine clé de la biogenèse des GLs, seipin, et nous l’avons insérée des membranes tubulaires, présentant une morphologie, une taille et une composition chimique réalistes de la partie tubulaire du RE. POP-MD nous a permis de simuler, pour la première fois, le processus de bourgeonnement. Nous avons constaté que l'asymétrie des feuillets est nécessaire et suffisante pour reproduire le bourgeonnement, indépendamment de tous les autres facteurs. Le couplage de la synthèse des triglycérides et des phospholipides est nécessaire pour produire des structures bourgeonnées. Seipin échafaude le cou de la GL bourgeonnée et empêche la génération de défauts au niveau du cou de la GL. La composition lipidique du RE facilite le mécanisme car elle fournit des membranes moins rigides, réduisant les défauts membranaires pendant la biogenèse. Dans l'ensemble les simulations ont fourni une vue moléculaire sans précédent de la biogenèse GL avec une résolution de longueur inférieure au nanomètre et une résolution temporelle de l’ordre de la picoseconde ont permis l'interprétation de nombreuses données expérimentales et ont élucidé le rôle des différents composants nécessaires au processus de bourgeonnement.
Fichier principal
Vignette du fichier
TH2023NIETOVINCENT.pdf (43.07 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04482453 , version 1 (28-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04482453 , version 1

Cite

Vincent Nieto. Molecular simulations of lipid droplet biogenesis. Modeling and Simulation. Université Claude Bernard - Lyon I, 2023. English. ⟨NNT : 2023LYO10034⟩. ⟨tel-04482453⟩
26 View
2 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More